Biokompatybilne materiały o właściwościach teranostycznych do precyzyjnych zastosowań medycznych

Typ projektu: NCN OPUS 22
Kierownik projektu: prof. dr hab. Rafał Wiglusz
Numer projektu: 2021/43/B/ST5/02960
Partner: Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu
Opis projektu:
Choroby zakaźne nie są niczym niezwykłym i towarzyszą ludzkości od wieków. Natomiast, zdumiewające jest to, że w dobie pandemii (COVID-19) zaniedbuje się inne choroby, które dotykają ludzkość. Co więcej, osoby, które przebyły chorobę zakaźną borykają się z dolegliwościami wynikającymi z rozległych uszkodzeń tkanek i narządów. Dlatego tak ważnym jest aspekt diagnostyczno-regeneracyjny w medycynie w czasach pandemicznych i post-pandemicznych. Inżynieria tkankowa stara się wyjść naprzeciw tym zaniedbaniom poszukując wciąż nowych rozwiązań związanych z regeneracją narządów i tkanek. Podstawowymi elementami, wykorzystywanymi w inżynierii tkankowej są biomateriały, komórki macierzyste (progenitorowe) oraz cząsteczki bioaktywne. Elementy te tworzą tzw. triadę inżynierii tkankowej, warunkując (razem bądź oddzielnie) proces regeneracji i przebudowy tkanek. Stworzenie biomateriałów, pełniących równocześnie rolę nośników komórek macierzystych i substancji bioaktywnych jest istotne dla odbudowania funkcjonalnej tkanki i warunkuje efektywność terapeutyczną. Jest to szczególnie ważne w kontekście leczenia rozległych uszkodzeń tkanek, jak np. tkanki kostnej, czy nerwowej, wynikających z urazu, bądź resekcji kości zajętej przez nowotwór czy urazy czaszkowo-mózgowe oraz uszkodzenia rdzenia kręgowego. W projekcie planuje się wytworzyć i scharakteryzować kilkuelementowy system oparty o wykorzystanie nanostrukturalnych związków fosforanowo-krzemianowych o strukturze apatytu (nSiHAp) domieszkowanego jonami litu (Li+ ) i współdomieszkowanego jonami ziem rzadkich (RE3+) do stymulacji komórek macierzystych. Opracowany system będzie wpływał na proliferację i plastyczność fenotypową (zdolność do różnicowania się) komórek macierzystych, sprzyjając procesom regeneracji. Głównym celem projektu jest zbadanie wpływu materiału nSi-HAp modyfikowanego strukturalnie jonami Li+ i RE3+ (np. Eu3+, Sm3+, Tb3+, Yb3+) oraz chemicznie chemioterapeutykami (np. metronidazol, tynidazol) zamkniętego w otrzymanych biodegradowalnych polimerach (e.g. polilaktyd (PLA), poli(Llaktyd) (PLLA), poli(D,L-laktyd) (PDLA), czy poli(D,L-laktyd-ko-glikolid) (PDLLGA)), na potencjał proliferacyjny i metaboliczny oraz ukierunkowane tkankowo różnicowanie się komórek progenitorowych. Nasze pilotażowe badania wykazały, że nSi-HAp modyfikowany jonami Li+ i RE3+ może mieć pozytywny wpływ na aktywność ustalonych linii komórek zwierzęcych, w tym makrofagów, a także multipotentych komórek progenitorowych izolowanych z tkanki tłuszczowej i glejowej. Utworzony mulidyscyplinarny zespół określi, w jaki sposób ludzkie komórki progenitorowe izolowane ze szpiku kostnego zachowują się w obecności opracowanych nanocząsteczek. Badania będą związane z poznaniem mechanizmu działania otrzymanych kompozytów, a analizie poddane będą główne szlaki molekularne związane z procesami regeneracji tkanki kostnej, chrzęstnej, tłuszczowej i nerwowej. Wynikiem projektu będzie otrzymanie, charakterystyka oraz zbadanie odpowiedzi komórkowej na wielofunkcyjne biomateriały, na bazie nanostrukturalnych związków fosforanowo-krzemianowych o strukturze apatytu, strukturalnie modyfikowanych jonami oraz chemioterapeutykami, zamknięte w zsyntezowanych biodegradowalnych polimerach jako biokompozyt o potencjalnym znaczeniu w inżynierii tkankowej. Badania przewidziane w projekcie badawczym obejmą otrzymanie nanokrystalicznych związków fosforanowo-krzemianowych o strukturze apatytu modyfikowanych jonami Li+ i RE3+ oraz chemicznie lekiem, jak również określenie ich właściwości strukturalnych i morfologicznych, i zbadanie mechanizmów połączeń międzyfazowych z biodegradowalnym polimerem, oraz określenie zdolności do stymulowania tkanek i organów po wszczepieniu do organizmu (tzw. bioaktywność). Ponadto, badania mają określić, czy jony Li+ i RE3+ mogą się uwalniać z zaprojektowanych biomateriałów. Strategia związana z modyfikacją powierzchni nanomateriałów biodegradowalnymi polimerami pozwala na zwiększenie kompatybilności takich układów oraz umożliwia bardziej stabilne przyłączanie do ich powierzchni substancji aktywnych. Lek powinien być wówczas uwalniany w sposób bardziej kontrolowany i wydłużony w czasie, co jest istotne w ramach efektywnej terapii, w tym eliminacji skutków niepożądanych działań i wreszcie przezwyciężenia oporności wielolekowej (ang. multidrug resistance/MDR). Co więcej, badania mają doprowadzić do szczegółowego scharakteryzowania osteogennych, chondrogennych, adipogennych i neurogennych właściwości biomateriałów zarówno w modelu in vitro (komórki progenitorowe) jak również z wykorzystaniem modelu in vivo (badanie ektotopowego formowania się tkanek). Badania prowadzone w ramach projektu wpisują się w nurt aktualnych prac badawczych związanych z opracowywaniem innowacyjnych biomateriałów w medycynie spersonalizowanej, wspierających regenerację trudno-gojących się ubytków tkanek i organów w miejscu uszkodzenia (in situ). Prace planowane w ramach projektu przyczynią się do rozwoju nowoczesnych i zaawansowanych metod badawczych kluczowych dla postępów w medycynie spersonalizowanej i teranostyce.